第1章 微機(jī)原理課件PPT -緒論

微機(jī)原理與單片機(jī)應(yīng)用李誼iyibin119@2004-02-111教材及參考書教材：1、《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》（第四版），吳秀清、周荷琴編著，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2、《例說51單片機(jī)（C語言）》（第三版），張義和、王敏男等編著，人民郵電出版社參考書：《微機(jī)原理與接口技術(shù)項(xiàng)目教程》，楊居義編著，清華大學(xué)出版社《微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用》，戴梅萼史嘉權(quán)著，清華大學(xué)出版社《微機(jī)原理與接口技術(shù)》，洪永強(qiáng)編，科學(xué)出版社《新概念51單片機(jī)C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略》，郭天祥編著，電子工業(yè)出版社《單片機(jī)原理及應(yīng)用（C51語言）》，鄧立新、董國增、曹月真編著，清華大學(xué)出版社

2004-02-112教學(xué)安排總學(xué)時(shí)：1－15周，每周5學(xué)時(shí)，其中：1－7周：微機(jī)原理與接口技術(shù)8－15周：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用技術(shù)第九周段考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為單片機(jī)部分，時(shí)間安排在12－14周2004-02-113第一部分微機(jī)原理2004-02-114內(nèi)容第一章 緒論第二章 8086系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第三章 8086的尋址方式和指令系統(tǒng)第四章 匯編語言程序設(shè)計(jì)第五章 存儲(chǔ)器第六章 I/O接口和總線2004-02-115內(nèi)容第七章 微型計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)第八章 可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253及其應(yīng)用第九章 可編程外圍接口芯片8255A及其應(yīng)用第十章 串行通信和可編程接口芯片8251A 第十一章 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換（AD/DA）2004-02-116本內(nèi)容重點(diǎn)§2 8086系統(tǒng)結(jié)構(gòu) §5 CPU與存儲(chǔ)器的連接§6 I/O接口和總線§7 微型計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)§8 可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253§9 可編程外圍接口芯片8255A及其應(yīng)用§10 串行通信和可編程接口芯片8251A§11 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換（AD/DA）2004-02-117第一章 緒論1-1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一、CPU、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二、I/O接口三、總線1-3計(jì)算機(jī)數(shù)和字符的表示2004-02-118第一章 緒論1-1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一、CPU、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二、I/O接口三、總線1-3計(jì)算機(jī)數(shù)和字符的表示2004-02-1191-1微機(jī)的發(fā)展概況計(jì)算機(jī)種類：早期的計(jì)算工具電子計(jì)算機(jī)電子模擬計(jì)算機(jī)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)單片機(jī)、微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)、巨型機(jī)未來的新型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史微處理器發(fā)展歷史2004-02-1110電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史第一代：1946年電子管計(jì)算機(jī)，ENIAC第二代：1959年晶體管計(jì)算機(jī)，IBM1403第三代：1962年，集成電路計(jì)算機(jī)，IBM360第四代：1972年，大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)IBM370計(jì)算機(jī)微型化1971年,INTEL公司第一個(gè)微處理器4004第五代：20世紀(jì)80年代，超大規(guī)模集成電路計(jì)算 機(jī)；微機(jī)進(jìn)一步發(fā)展，從8080到80486第六代：20世紀(jì)90年代，超大型機(jī)和智能計(jì)算機(jī)；微機(jī)從586到P2、P3、P4、Core2004-02-1111微處理器發(fā)展歷史第一代微處理器（1971年始）Intel4004、Intel8008第二代微處理器（1973年始）Intel8080、MotorolaMC6800、ZilogZ80、Intel8085第三代微處理器（1978年始）Intel8086、ZilogZ8000、Motorola68000、Intel80286、Motorola68010第四代微處理器（1983年始）ZilogZ80000、Motorola68020、Intel80386、Intel80486、Motorola68040第五代微處理器（1993年始）Pentium(586、P2、P3、P4)、PentiumProP6、PowerPC、Core2004-02-1112Moore定律：“晶體管的大小將以指數(shù)速率變小，而集成到芯片上的晶體管數(shù)目將2－3年（18－24個(gè)月）翻一番?！薄狦ordonMoore，19652004-02-1113Intel微處理器性能演進(jìn)表微處理器首批生產(chǎn)時(shí)間性能(MIPS)首批CPU頻率MHz集成度(百萬)寄存器寬度外部數(shù)據(jù)總線寬度最大尋址空間內(nèi)含高速緩存大小808619780.880.12916161MB無8028619822.712.50.134161616MB無80386DX19856.0200.27532324GB無80486DX198920251.232324GB8KBL1Pentium1993100603.132644GB16KBL1PentiumPro19954402005.5326464GB16KBL1256KB或512KBL2PentiumII19974662667326464GB32KBL1256KB或512KBL2PentiumIII199910005008.2326464GB32KBL1512KBL2PentiumIV2000

1000100以上

32

64

64GB

L1、L2注:MIPS每秒百萬條指令2004-02-1114x86系列結(jié)構(gòu)的概要?dú)v史1971年Intel4004，70年代中期Intel8080、8085，70年代初Intel8086、8088。從8086（8088）到80286、80386、80486、奔騰（也稱為80586）、奔騰MMX、奔騰PRO（也稱為80686）、奔騰Ⅱ、奔騰Ⅲ，直至最新的奔騰4，形成了IA（IntelArchitecture）-32結(jié)構(gòu)。2004-02-11158086

x86系列結(jié)構(gòu)的發(fā)展追溯到Intel8086。20世紀(jì)80年代IBM公司以Intel8086/8088作為核心處理器研制出個(gè)人計(jì)算機(jī)—IBMPC，Intel微處理器成為市場(chǎng)主流。在x86系列結(jié)構(gòu)系統(tǒng)引進(jìn)32位處理器之前，是16位的處理器，包括8086處理器和隨后很快開發(fā)的80186與80286。 x86系列結(jié)構(gòu)的最重要的成就之一是，從1978開始的那些處理器上建立的目標(biāo)程序仍能在x86系列結(jié)構(gòu)系列的最新的處理器上執(zhí)行。 8086有16位寄存器和16位外部數(shù)據(jù)總線，具有20位地址總線，可尋址1M字節(jié)地址空間。2004-02-1116803861985年Intel推出80386微處理器，完成16位結(jié)構(gòu)向32位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，386是一個(gè)里程碑。Intel386處理器是x86系列結(jié)構(gòu)系列中的第一個(gè)32位處理器。它在結(jié)構(gòu)中引入了32寄存器，用于容納操作數(shù)和地址。每個(gè)32位寄存器的后一半保留兩個(gè)早期處理器版本（8086和80286）的16位寄存器的特性，以提供完全的后向兼容。Intel386還提供了一種新的虛擬8086方式，以在新的32位處理器上最有效地執(zhí)行為8086處理器建立的程序。2004-02-1117

Intel386處理器有32位地址總線，能支持多至4G字節(jié)的物理存儲(chǔ)器。32位結(jié)構(gòu)為每個(gè)軟件進(jìn)程提供邏輯地址空間。32位結(jié)構(gòu)同時(shí)支持分段的存儲(chǔ)模式和“平面（flat）”存儲(chǔ)模式。在“平面”存儲(chǔ)模式中，段寄存器指向相同地址，且每個(gè)段中的所有4G字節(jié)可尋址空間對(duì)于軟件程序員是可訪問的。 原始的16位指令用新的32位操作數(shù)和新的尋址方式得到增強(qiáng)，并提供了一些新的指令，包括那些位操作指令。2004-02-1118

Intel386處理器把分頁引進(jìn)了x86系列結(jié)構(gòu)，用4K字節(jié)固定尺寸的頁提供一種虛擬存儲(chǔ)管理方法，它比分段更為優(yōu)越。分頁對(duì)于操作系統(tǒng)更為有效，且對(duì)應(yīng)用程序完全透明，對(duì)執(zhí)行速度沒有明顯影響。4G字節(jié)虛擬地址空間的支持能力、存儲(chǔ)保護(hù)與分頁支持一起，使x86系列結(jié)構(gòu)成為高級(jí)操作系統(tǒng)和廣泛的應(yīng)用程序的最流行的選擇。2004-02-111980486 Intel486處理器把Intel386處理器的指令譯碼和執(zhí)行單元擴(kuò)展為五個(gè)流水線段，增加了更多的并行執(zhí)行能力，其中每個(gè)段（當(dāng)需要時(shí)）與其它的并行操作最多可在不同段上同時(shí)執(zhí)行五條指令。每個(gè)段以能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的方式工作，所以，Intel486處理器能在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。 80486的一個(gè)重大改進(jìn)是在x86系列處理器的芯片中引入了緩存。在芯片上增加了一8K字節(jié)的一級(jí)緩存（cache），大大增加了每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的百分比，包括操作數(shù)在一級(jí)cache中的存儲(chǔ)器訪問指令。2004-02-1120

Intel486處理器也是第一次把x87FPU（浮點(diǎn)處理單元）集成到處理器上并增加了新的引腳、位和指令，以支持更復(fù)雜和更強(qiáng)有力的系統(tǒng)（二級(jí)cache支持和多處理器支持）。直至Intel486處理器這一代，Intel把設(shè)計(jì)以支持電源保存和別的系統(tǒng)功能加入至X86系列主流結(jié)構(gòu)和Intel486SL增強(qiáng)的處理器中。這些特性是在Intel386SL和Intel486SL處理器中開發(fā)的，是特別為快速增長(zhǎng)的用電池操作的筆記本PC市場(chǎng)提供的。2004-02-1121

這些特性包括新的用專用的中斷腳觸發(fā)的系統(tǒng)管理模式，允許復(fù)雜的系統(tǒng)管理特性（例如在PC內(nèi)的各種子系統(tǒng)的電源管理），透明地加至主操作系統(tǒng)和所有的應(yīng)用程序中。停止時(shí)鐘（StopClock）和自動(dòng)暫停電源下降（AutoHaltPowerdown）特性允許處理器在減慢的時(shí)鐘速率下執(zhí)行，以節(jié)省電源或關(guān)閉（保留狀態(tài)），以進(jìn)一步節(jié)省電源。2004-02-1122奔騰（Pentium）

1993年3月Intel推出Pentium（奔騰）微處理器，片內(nèi)L1Cache分為ICache和DCache，設(shè)有兩條流水線，提高了指令執(zhí)行的并行性，是一種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)（Superscalar)Intel奔騰（Pentium）處理器增加了第二個(gè)執(zhí)行流水線以達(dá)到超標(biāo)量性能（兩個(gè)已知的流水線u和v，一起工作能實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行兩條指令）。芯片上的一級(jí)cache也加倍了，8K字節(jié)用于代碼，另8K字節(jié)用于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)cache使用MESI協(xié)議，以支持更有效的回寫方式，以及由Intel486處理器使用的寫通方式。加入的分支預(yù)測(cè)和芯片上的分支表增加了循環(huán)結(jié)構(gòu)中的性能。 2004-02-1123

加入了擴(kuò)展以使虛擬8086方式更有效，并像允許4K字節(jié)頁一樣允許4M字節(jié)頁。主要的寄存器仍是32位，但內(nèi)部數(shù)據(jù)通路是128和256位以加速內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送，且猝發(fā)的外部數(shù)據(jù)總線已經(jīng)增加至64位。增加了高級(jí)的可編程中斷控制器（AdvancedProgrammableInterruptController（APIC））以支持多奔騰處理器系統(tǒng)，新的引腳和特殊的方式（雙處理）設(shè)計(jì)以支持無連接的兩個(gè)處理器系統(tǒng)。2004-02-1124

奔騰系列的最后一個(gè)處理器（具有MMX技術(shù)的奔騰處理器）把IntelMMX技術(shù)引入IA-32結(jié)構(gòu)。IntelMMX技術(shù)用單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）執(zhí)行方式在包含64位MMX寄存器中的包裝的整型數(shù)據(jù)上執(zhí)行并行計(jì)算。此技術(shù)在高級(jí)媒體、影像處理和數(shù)據(jù)壓縮應(yīng)用程序上極大地增強(qiáng)了IA-32處理器的性能。Pentium,Pentium/MMX為第一代“奔騰”微處理器，簡(jiǎn)稱P5。2004-02-1125P6系列處理器1995年2月Intel推出第2代Pentium微處理器，PentiumPro（高能奔騰），簡(jiǎn)稱P6。P6系列微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的之一是在仍使用相同的0.6微米、四層金屬BICMOS制造過程的情況下使處理器的性能明顯地超過奔騰處理器。P6的創(chuàng)新點(diǎn)是：(A)L2Cache集成到封裝內(nèi)，微處理器與L2Cache數(shù)據(jù)交換頻寬大大提高。（B)采用“無序執(zhí)行”技術(shù)（Outoforderexecution),使處理器內(nèi)部保持很高的指令執(zhí)行并行度。2004-02-1126

IntelPentiumPro處理器是基于P6微結(jié)構(gòu)的第一個(gè)處理器。P6處理器系統(tǒng)隨后的成員是IntelPentiumII、IntelPentiumIIXeon（至強(qiáng)）、IntelCeleron（賽揚(yáng)）、IntelPentiumIII和IntelPentiumIIIXeon（至強(qiáng)）處理器。2004-02-1127奔騰II IntelPentiumII處理器把MMX技術(shù)加至P6系列處理器，并具有新的包裝和若干硬件增強(qiáng)。處理器核心包裝在了SECC上，這使其更具有了靈活的母板結(jié)構(gòu)。第一級(jí)數(shù)據(jù)和指令caches每個(gè)擴(kuò)展至16K字節(jié)，支持二級(jí)cache的尺寸為256K字節(jié)、512K字節(jié)和1M字節(jié)。

PentiumIIXeon（至強(qiáng)）處理器組合Intel處理器前一代的若干額外特性，例如4way、8way（最高）可伸縮性和運(yùn)行在“全時(shí)鐘速度”后沿總線上的2M字節(jié)二級(jí)cache，以滿足中等和高性能服務(wù)器與工作站的要求。2004-02-1128奔騰III PentiumIII處理器引進(jìn)流SIMD擴(kuò)展（SSE）至X86系列結(jié)構(gòu)。SSE擴(kuò)展把由IntelMMX引進(jìn)的SIMD執(zhí)行模式擴(kuò)展為新的128位寄存器和能在包裝的單精度浮點(diǎn)數(shù)上執(zhí)行SIMD操作。PentiumIIIXeon處理器用Intel的0.18μm處理技術(shù)的全速高級(jí)傳送緩存（AdvancedTransferCache）擴(kuò)展了IA-32處理器的性能級(jí)。 2004-02-1129IntelPentium4處理器 2000年11月Intel推出名為Pentium4的微處理器。采用全新的,稱之為NetBurst的微結(jié)構(gòu)（IA-32)，為第四代奔騰微處理器。其特點(diǎn)是：(A)20級(jí)的超長(zhǎng)流水線，便于提高片內(nèi)主頻，最低1.4GHz。(B)更先進(jìn)的動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)，更高的分支預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。(C)雙倍速ALU部件，SSE2指令集，400MHz的FSB.2004-02-1130Intel超線程處理器

Intel公司于2002年推出了具有超線程技術(shù)的IA-32列處理器。超線程（Hyper-ThreadingHT）技術(shù)允許單個(gè)物理處理器用共享的執(zhí)行資源并發(fā)地執(zhí)行兩個(gè)或多個(gè)分別的代碼流（線程）。以提高X86系列處理器執(zhí)行多線程操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序代碼的性能。2004-02-1131進(jìn)程是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；是一個(gè)正在執(zhí)行的程序；計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序?qū)嵗豢梢苑峙浣o處理器并由處理器執(zhí)行的一個(gè)實(shí)體；由單一順序的執(zhí)行顯示，一個(gè)當(dāng)前狀態(tài)和一組相關(guān)的系統(tǒng)資源所描述的活動(dòng)單元。進(jìn)程是一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)。它可以申請(qǐng)和擁有系統(tǒng)資源，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，是一個(gè)活動(dòng)的實(shí)體。它不只是程序的代碼，還包括當(dāng)前的活動(dòng)，通過程序計(jì)數(shù)器的值和處理寄存器的內(nèi)容來表示。2004-02-1132線程（thread）是“進(jìn)程”中某個(gè)單一順序的控制流。計(jì)算機(jī)科學(xué)術(shù)語，指運(yùn)行中的程序的調(diào)度單位。線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤消另一個(gè)線程，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。在單個(gè)程序中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程完成不同的工作，稱為多線程。2004-02-1133通常在一個(gè)進(jìn)程中可以包含若干個(gè)線程，它們可以利用進(jìn)程所擁有的資源。在引入線程的操作系統(tǒng)中，通常都是把進(jìn)程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨(dú)立運(yùn)行和獨(dú)立調(diào)度的基本單位。由于線程比進(jìn)程更小，基本上不擁有系統(tǒng)資源，故對(duì)它的調(diào)度所付出的開銷就會(huì)小得多，能更高效的提高系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)程序間并發(fā)執(zhí)行的程度，從而顯著提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量。2004-02-1134

從體系結(jié)構(gòu)上說，支持HT技術(shù)的IA-32處理器，在一個(gè)物理處理器核中由兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器構(gòu)成，每個(gè)邏輯處理器有它自己擁有的IA-32體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)。每個(gè)邏輯處理器由全部的IA-32數(shù)據(jù)寄存器、段寄存器、控制寄存器與大部分的MSR構(gòu)成。2004-02-1135

HT技術(shù):允許一個(gè)物理IA-32CPU作為兩個(gè)或兩個(gè)以上的邏輯IA-32CPU使用。雖然系統(tǒng)中只有一個(gè)物理IA-32CPU，但在多任務(wù)操作系統(tǒng)看來是兩個(gè)或兩個(gè)以上的IA-32CPU，從而可以提高多任務(wù)操作系統(tǒng)執(zhí)行多線程的能力提高CPU執(zhí)行效率的方法1）使用更高的時(shí)鐘速度，如超流水線技術(shù)2）讓CPU在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成更多的工作，如超標(biāo)量技術(shù)，HT技術(shù)2004-02-11362004-02-1137

不像用兩個(gè)或多個(gè)分別的IA-32物理處理器的傳統(tǒng)的MP系統(tǒng)配置，在支持HT技術(shù)的IA-32處理器中的邏輯處理器共享物理處理器的核心資源。這包括執(zhí)行引擎和系統(tǒng)總線接口。在上電和初始化以后，每個(gè)邏輯處理器能獨(dú)立地直接執(zhí)行規(guī)定的線程、中斷或暫停。HT技術(shù)由在單個(gè)芯片上提供兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器支持在現(xiàn)代操作系統(tǒng)和高性能應(yīng)用程序中找到的進(jìn)程與線程級(jí)并行。以在每個(gè)時(shí)鐘周期期間最大地使用執(zhí)行單元。而提高了處理器的性能。2004-02-1138Intel雙核技術(shù)處理器

雙核技術(shù)是在IA-32處理器系列中硬件多線程能力的另一種形式。雙核技術(shù)由用在單個(gè)物理包中有兩個(gè)分別的執(zhí)行核心提供硬件多線程能力。因此，IntelPentium處理器極品版在一個(gè)物理包中提供四個(gè)邏輯處理器（每個(gè)處理器核有兩個(gè)邏輯處理器）。IntelPentiumD處理器也以雙核技術(shù)為特色。此處理器用雙核技術(shù)提供硬件多線程支持，但它不提供超線程技術(shù)。因此，IntelPentiumD處理器在一個(gè)物理包中提供兩個(gè)邏輯處理器，每個(gè)邏輯處理器擁有處理器核的執(zhí)行資源，如圖1-2所示。2004-02-11392004-02-1140

Intel奔騰處理器極品版中引入了Intel擴(kuò)展的存儲(chǔ)器技術(shù)（IntelEM64T）對(duì)于軟件增加線性地址空間至64位與支持物理地址空間至40位。此技術(shù)也引進(jìn)了稱為IA-32e模式的新的操作模式。2004-02-1141我國計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介1957年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功我國第一臺(tái)模擬式電子計(jì)算機(jī)。1958年，中國第一臺(tái)計(jì)算機(jī)—103型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)研制成功，運(yùn)行速度每秒1500次。1973年，中國第一臺(tái)百萬次集成電路計(jì)算機(jī)研制成功。1977年，中國第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)DJS—050機(jī)研制成功。1983年，銀河Ⅰ號(hào)巨型計(jì)算機(jī)研制成功，運(yùn)行速度每秒1億次。1986年，中華學(xué)習(xí)機(jī)投入生產(chǎn)。1987年，第一臺(tái)國產(chǎn)的286微機(jī)—長(zhǎng)城286正式推出。1990年，長(zhǎng)城486機(jī)問世。1992年11月，中國第一臺(tái)10億次巨型銀河計(jì)算機(jī)Ⅱ型通過鑒定。1995年，曙光1000大型機(jī)通過鑒定，其峰值可達(dá)每秒25億次。1996年，國產(chǎn)聯(lián)想電腦在國內(nèi)微機(jī)市場(chǎng)銷售量第一。1997年6月，130億次巨型銀河計(jì)算機(jī)3型通過鑒定。1998年，中國微機(jī)銷量達(dá)到408萬臺(tái)，國產(chǎn)占有率高達(dá)71.9%。1999年8月，神威計(jì)算機(jī)達(dá)到3840億次。2000年，曙光2000-Ⅱ，速度達(dá)到1170億次/秒2002年8月，聯(lián)想深騰1800超級(jí)計(jì)算機(jī)每秒1.027萬億次。2010年，全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜，中國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“天河一號(hào)”雄居第一。2004-02-1142未來的新型計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)分子計(jì)算機(jī)2004-02-1143光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)中信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光。電子在固體中最大運(yùn)動(dòng)速度是593公里/秒，而光速是30萬公里/秒。光子計(jì)算機(jī)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。2004-02-1144光子計(jì)算機(jī)——參考文獻(xiàn)1、突破摩爾法則分子、DNA、量子光子計(jì)算機(jī)展望_大眾科技科技時(shí)代_新浪網(wǎng)/o/2001-11-26/93383.shtml分子、DNA、量子光子計(jì)算機(jī)展望/kjqy/file/0302.htmfjirsm/kpsc/dnj.htm網(wǎng)易電腦頻道-21世紀(jì)的10大技術(shù)趨勢(shì)（下）58:8404/scienceimport/0802/010120_39798_32448.html2004-02-1145量子計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)用電位的高低表示０和１，進(jìn)行二進(jìn)制運(yùn)算；而量子計(jì)算機(jī)則基于“量子位”。二進(jìn)制位只能用“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)表示信息，目前傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù)已經(jīng)接近發(fā)展極限，而“量子位”可用粒子的量子力學(xué)狀態(tài)來表示信息，利用粒子自旋的特殊性質(zhì)，快速處理大量的信息。由于量子世界的不確定性，“量子位”可以包含所有可能數(shù)值的不確定狀態(tài)。因此，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)無法進(jìn)行的復(fù)雜計(jì)算。量子計(jì)算的關(guān)鍵是要在原子水平上實(shí)現(xiàn)對(duì)量子的控制。2004-02-1146量子計(jì)算機(jī)——參考文獻(xiàn)量子計(jì)算機(jī):計(jì)算機(jī)時(shí)代的新革命/Archive/2001/7/4-10784.html量子信息講座，第一講

量子計(jì)算機(jī)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系段路明

郭光燦

/cn/kp/qcomputer.htm計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向—量子計(jì)算機(jī)/wskpx/1-4.htm從數(shù)字時(shí)代到量子時(shí)代：美國著名科學(xué)家KAKU談量子計(jì)算機(jī)印度科學(xué)家預(yù)言量子計(jì)算機(jī)將在5年內(nèi)問世2000/01/12

11:08科技日?qǐng)?bào)量子計(jì)算機(jī)/index/text/52008.htm德科學(xué)家研制出五量子位量子計(jì)算機(jī)2/keji/751702011.htm科技文萃—美研制出量子計(jì)算機(jī)/kjbk/kjwc/200010/b10123-21.htm

2004-02-1147生物計(jì)算機(jī)70年代就有人發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸處在不同狀態(tài)下，可產(chǎn)生有信息和無信息。聯(lián)想到晶體管的通導(dǎo)或截止電壓的高或低、脈沖信號(hào)的有或無等等，激發(fā)科學(xué)家們?nèi)パ兄粕镫娮釉撵`感。美國普林斯頓大學(xué)的研究人員新近開發(fā)出一種使用RNA（核糖核酸）來解決計(jì)算問題的簡(jiǎn)單的生物計(jì)算機(jī)，這是分子計(jì)算領(lǐng)域取得的新突破?？茖W(xué)家研制的RNA計(jì)算機(jī)實(shí)際上是一個(gè)含有1024種不同RNA鏈的試管。研究者指出，用分子計(jì)算來處理某些問題比傳統(tǒng)的計(jì)算方法更為有效。將生命活動(dòng)的指令進(jìn)行編碼的遺傳分子DNA和RNA里可儲(chǔ)存比常規(guī)存儲(chǔ)芯片更多的數(shù)據(jù)，試管狀的生物計(jì)算機(jī)中含有大量遺傳物質(zhì)片段，每一個(gè)片段就是一個(gè)微型計(jì)算工具，因此生物計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)千次甚至上百萬次計(jì)算。2004-02-1148生物計(jì)算機(jī)——參考文獻(xiàn)生物計(jì)算機(jī)——日本的下一代計(jì)算機(jī)/html/29/10110599.htm

以色列研制出微型生物計(jì)算機(jī)33/jkzx/qy/new/200111/2623177.html

熱點(diǎn)透視:計(jì)算機(jī)＋生物技術(shù)＝？/cyzx4010.htm

美正在研發(fā)dna生物計(jì)算機(jī)大量復(fù)雜問題輕松搞定/h/n/2002-03-30/109222.shtmldna計(jì)算機(jī)/zhangxw/tsg/tsg26.htm以色列科學(xué)家設(shè)計(jì)出dna計(jì)算機(jī)，等3條新聞/jrxw/015.htm2004-02-1149分子計(jì)算機(jī)分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。憑借著分子納米級(jí)的尺寸，分子計(jì)算機(jī)的體積將劇減。此外，分子計(jì)算機(jī)耗電可大大減少，并能更長(zhǎng)期地存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。洛杉磯加洲大學(xué)和惠普公司研究小組曾在英國《科學(xué)》雜志上發(fā)文，稱他們能通過把能生成晶體結(jié)構(gòu)的輪烷分子夾在金屬電極之間，制作出分子“邏輯門”這種分子電路的基礎(chǔ)元件。美國國家橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室則采用把菠菜中的一種微小蛋白質(zhì)分子附著于金箔表面并控制分子排列方向的辦法制造出邏輯門。這種蛋白質(zhì)可在光照幾萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。據(jù)稱基于單個(gè)分子的芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高。2004-02-1150分子計(jì)算機(jī)——參考文獻(xiàn)分子、DNA、量子光子計(jì)算機(jī)展望/kjqy/file/0302.htm中國分子計(jì)算機(jī)有望5年內(nèi)問世/document/20001218/2000121814433501.shtml未來的計(jì)算機(jī)/hqkj/hqkj63.htm美科學(xué)家研制出分子開關(guān)6/20010101/20091.shtml生物電腦之父/1/DNA.htm2004-02-1151第一章緒論1-1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一、CPU、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二、I/O接口三、總線1-3計(jì)算機(jī)數(shù)和字符的表示2004-02-1152微型計(jì)算機(jī)（Micro-Computer）簡(jiǎn)稱微機(jī)，就是指以微處理器（Micro-Processor）為核心，配上由大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）接口電路以及系統(tǒng)總線所組成的計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理和其他機(jī)型一樣都是符合馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)要求，由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備5個(gè)硬件部分組成。1-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2004-02-11532004-02-1154微處理器、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三者之間的關(guān)系

2004-02-11551-微處理器的組成算術(shù)邏輯部件（ALU）累加器和通用寄存器程序計(jì)數(shù)器標(biāo)志寄存器（PSW）時(shí)序和控制邏輯部件內(nèi)部總線等不能構(gòu)成獨(dú)立工作的系統(tǒng)，也不能單獨(dú)執(zhí)行程序微處理器又稱CPU，主要由以下部分構(gòu)成：2004-02-1156算術(shù)邏輯部件ArithmeticLogicalUnit(ALU)主要完成算術(shù)運(yùn)算（＋、－、×、÷等操作）及邏輯運(yùn)算（與，或，非，異或等操作）是微機(jī)中最基本的運(yùn)算單元2004-02-1157累加器和通用寄存器組累加器也是一個(gè)由多個(gè)觸發(fā)器組成的寄存器，它名為累加器，實(shí)際上并不進(jìn)行加法運(yùn)算而是作為ALU運(yùn)算過程中的代數(shù)和的臨時(shí)存放處，存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址，除了能裝入及輸出數(shù)據(jù)外，還能使數(shù)據(jù)左移或右移2004-02-1158程序計(jì)數(shù)器、標(biāo)志寄存器程序計(jì)數(shù)器（IP）：指向要執(zhí)行的下一條指令，順序執(zhí)行指令時(shí)，每取一個(gè)指令字節(jié)，程序計(jì)數(shù)器加上相應(yīng)字節(jié)數(shù)實(shí)際上是通過指針和變址寄存器、段寄存器、以及ALU等實(shí)現(xiàn)的標(biāo)志寄存器(PSW)：ProgramStatusWord（程序狀態(tài)字）用來存放運(yùn)算結(jié)果的特征，常用作后續(xù)條件轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移控制條件2004-02-1159時(shí)序和控制邏輯部件、內(nèi)部總線時(shí)序和控制邏輯部件：負(fù)責(zé)對(duì)整機(jī)的控制，包括：從存儲(chǔ)器中取指令，對(duì)指令譯碼和分析，確定指令的操作及操作數(shù)的地址再取操作數(shù)，執(zhí)行操作將結(jié)果送到存儲(chǔ)器或I/O端口等提供系統(tǒng)時(shí)鐘、按一定時(shí)序發(fā)出控制信號(hào)內(nèi)部總線2004-02-11602-微型計(jì)算機(jī)的組成2004-02-1161微型計(jì)算機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路和系統(tǒng)總線組成。存儲(chǔ)器主要用來存放程序和數(shù)據(jù)，包括：RAMROM系統(tǒng)總線是CPU向存儲(chǔ)器及接口電路提供地址、數(shù)據(jù)和控制信息的通道，包括地址總線（AddressBus,AB）數(shù)據(jù)總線（DataBus,DB）控制總線（ControlBus,CB）輸入輸出接口電路2004-02-1162微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)硬件軟件微處理器應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件外設(shè)微型計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器I/O接口電路系統(tǒng)總線ALU控制單元并行I/O接口串行I/O接口ABRAMDBCBROM寄存器組2004-02-11631、字長(zhǎng)

字長(zhǎng)即CPU中運(yùn)算器一次能處理的最大數(shù)據(jù)位數(shù)，它是反映微機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的重要技術(shù)指標(biāo)。常見的字長(zhǎng)有8位、16位、32位、64位等。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，說明系統(tǒng)的運(yùn)算精度越高，數(shù)據(jù)處理能力越強(qiáng)。與字長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的總線寬度，特別是數(shù)據(jù)總線的寬度同樣也能反映系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)總線的寬度只有與CPU的字長(zhǎng)相當(dāng)，才能有效發(fā)揮出CPU數(shù)據(jù)處理能力。微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)2004-02-11642、運(yùn)算速度

運(yùn)算速度的高低是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。提高主頻對(duì)于提高CPU運(yùn)算速度是至關(guān)重要的。主頻頻率越高CPU的運(yùn)算速度越快。主頻的單位是GHz。反映微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算速度的另一個(gè)單位是MIPS，即每秒能執(zhí)行百萬條指令數(shù)?？梢钥闯觯瑪?shù)值越大，計(jì)算機(jī)的速度越快。2004-02-11653、內(nèi)存容量

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的地位越來越重要。存儲(chǔ)器有3個(gè)主要的性能指標(biāo)：速度、容量和每位價(jià)格（簡(jiǎn)稱位價(jià)）。一般來說，速度越高，位價(jià)就越高；容量越大，位價(jià)就越低，而其容量越大，速度必越低。2004-02-1166微機(jī)常用接口外觀圖所示，這是一個(gè)微機(jī)主板，主要由CPU插槽、PCI擴(kuò)展槽、內(nèi)存插槽、BIOS、CMOS電池、CMOS跳線、ATX電源插座、音頻接口、AGP擴(kuò)展槽、USB接口、鼠標(biāo)接口、鍵盤接口等組成。1.2.2微型計(jì)算機(jī)接口2004-02-1167

微機(jī)接口（interface）就是微處理器CPU與“外部世界”的連接電路，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。比如源程序或原始數(shù)據(jù)要通過接口從輸入設(shè)備送進(jìn)去，運(yùn)算結(jié)果要通過接口向輸入設(shè)備送出來；控制命令通過接口發(fā)出去，現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)通過接口取進(jìn)來，這些來往信息都要通過接口進(jìn)行變換與中轉(zhuǎn)。這里所說的“外部世界”是指除CPU本身以外的所有設(shè)備或電流，包括存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、通信設(shè)備、多媒體設(shè)備、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器等。2004-02-1168各類外部設(shè)備（簡(jiǎn)稱外設(shè)）和存儲(chǔ)器，都是通過各自的接口電路連到微機(jī)系統(tǒng)的總線上去的，因此用戶可以根據(jù)自己的要求，選用不同類型的外設(shè)，設(shè)置相應(yīng)的接口電路，把它們掛到系統(tǒng)總線上，構(gòu)成不同用途、不同規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。微機(jī)系統(tǒng)各類接口框圖2004-02-1169在微機(jī)系統(tǒng)中一般有多種外設(shè)，在同一種外設(shè)中也可能有多臺(tái)，而一個(gè)CPU在同一時(shí)間里只能與一臺(tái)外設(shè)交換信息，這就要在接口中設(shè)置I/O端口地址譯碼電路對(duì)外設(shè)進(jìn)行尋址。CPU將I/O設(shè)備的端口地址代碼送到接口中的地址譯碼電路，并經(jīng)譯碼電路，把地址代碼翻譯成I/O設(shè)備的選擇信號(hào)。一般是把高位地址用于接口芯片選擇，低位地址進(jìn)行芯片內(nèi)部寄存器的選擇，以選定需要與自己交換信息的設(shè)備端口，只有被選中的設(shè)備才能與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通信。沒有選中的設(shè)備，就不能與CPU交換數(shù)據(jù)。2.接口功能

接口應(yīng)具備哪些功能呢？從解決CPU與外設(shè)在連接時(shí)存在的矛盾的觀點(diǎn)來看，一般有如下功能：（1)對(duì)外部設(shè)備的尋址功能2004-02-1170

外部設(shè)備的信號(hào)電平可能不是TTL電平或CMOS電平，因此需要由接口電路來完成信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。（2)信號(hào)轉(zhuǎn)換功能

外部設(shè)備的工作速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU的速率，為了提高CPU的工作效率并避免丟失數(shù)據(jù)，接口中必須有數(shù)據(jù)緩沖器。接口中設(shè)置的數(shù)據(jù)緩存寄存器作為兩者之間的中介，暫存發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)，等待接收方在足夠的時(shí)間內(nèi)取走數(shù)據(jù)。借助于數(shù)據(jù)緩沖器，高速工作地CPU與低速工作地外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換可以協(xié)調(diào)進(jìn)行。由于數(shù)據(jù)緩存器直接連在系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，因此它應(yīng)具有三態(tài)特性。（3)數(shù)據(jù)緩沖功能2004-02-1171為了使接口具有較強(qiáng)的靈活性、可擴(kuò)充性以適應(yīng)多種工作方式或工作狀態(tài)，接口應(yīng)具有可編程的特性。上述功能并非要求每種接口都具備，對(duì)不同用途的微機(jī)系統(tǒng)，其接口功能不同，接口電路的復(fù)雜程度大不一樣。但前3種功能是接口電路中的核心部分，是一般接口都需要的。（4)聯(lián)絡(luò)功能接口應(yīng)當(dāng)具備握手信號(hào)。CPU送來的控制信號(hào)、外部設(shè)備的工作狀況以及應(yīng)答信號(hào)都要通過接口與CPU以“握手聯(lián)絡(luò)”的方式進(jìn)行交互。（5)中斷管理功能CPU與外設(shè)之間的通信采用中斷方式，有利于提高CPU的利用率。（6)可編程功能2004-02-11721.2.3總線在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各部件之間的信息傳送是通過公共通路來完成的，名為總線。大部分微型計(jì)算機(jī)有三組總線：地址總線(AddressBus)、數(shù)據(jù)總線(DataBus)和控制總線(ControlBus)。2004-02-1173

地址總線：如果有32位，可尋址的內(nèi)存單元為232=4GB。I/O接口也是通過地址總線來尋址的，它可以尋址64K個(gè)外設(shè)端口。

數(shù)據(jù)總線：目前常用的為64位。數(shù)據(jù)在CPU與存儲(chǔ)器和CPU與I/O接口之間的傳送是雙向的，故數(shù)據(jù)總線為雙向總線。

控制總線：它傳送各種控制信號(hào)，有的是CPU到存儲(chǔ)器和外設(shè)接口的控制信號(hào)，例如存儲(chǔ)器請(qǐng)求MREQ#，I/O請(qǐng)求IORQ，讀信號(hào)RD#，寫信號(hào)WR#等；有的是由外設(shè)到CPU的信號(hào)，如8086中的READY以及INT等。2004-02-1174第一章緒論1-1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1-2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一、CPU、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二、I/O接口三、總線1-3計(jì)算機(jī)數(shù)和字符的表示2004-02-11751-3計(jì)算機(jī)中數(shù)和字符的表示1.3.1數(shù)值數(shù)據(jù)1.3.2非數(shù)值數(shù)據(jù)2004-02-1176基數(shù)是指用來表示數(shù)據(jù)的數(shù)碼的個(gè)數(shù)，超過（等于）此數(shù)后就要向相鄰高位進(jìn)一。同一數(shù)碼處在數(shù)據(jù)的不同位置時(shí)所代表的數(shù)值是不同的，它所代表的實(shí)際值等于數(shù)字本身的值乘上一個(gè)確定的與位置有關(guān)的系數(shù)，這個(gè)系數(shù)則稱為位權(quán)，位權(quán)是以基數(shù)為底的指數(shù)函數(shù)。例如，128.7=1×102＋2×101＋8×100＋7×10-1。即“128.7”這個(gè)數(shù)值中的“1”的權(quán)值是102，“7”的權(quán)值就是10-1。1數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示（1）數(shù)制數(shù)制（NumberSystem）是用一組固定的數(shù)字符號(hào)和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)目的方法。若用R個(gè)基本符號(hào)來表示數(shù)目則稱為R進(jìn)制，R稱為基數(shù)。例如二進(jìn)制的基數(shù)為2，數(shù)符有2個(gè)；十進(jìn)制的基數(shù)為10，數(shù)符有10個(gè)。按進(jìn)位的原則進(jìn)行計(jì)算稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。進(jìn)位計(jì)數(shù)制中有兩個(gè)重要的概念：基數(shù)和位權(quán)。2004-02-1177

二進(jìn)制（Binarynotation）：用“0”和“1”兩個(gè)數(shù)字表示。逢二進(jìn)一。運(yùn)算規(guī)則有：0+0=00

0=00+1=10

1=01+0=11

0=01+1=101

1=1表示方法：（11011）2或11011B權(quán)表示法：（11011）2=1

24+1

23+0

22+1

21+1

20二進(jìn)制數(shù)——后綴B例：1101.101B(101)2八進(jìn)制數(shù)——后綴O或Q例：456.3Q(431)8十六進(jìn)制數(shù)——后綴H例：1798.A6H(789)16十進(jìn)制數(shù)——后綴D或省略例：123D78.8①二進(jìn)制數(shù)2004-02-1178十六進(jìn)制（Hexdecimal